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全球四大卫星导航系统(GPS、GLONASS、BDS、Galileo)比较

时间:2014-12-10浏览:责任编辑:卡奇娱乐成都子公司

一、全球定位系统(GPS)

GPS简介:

卫星测时测距导航/全球定位系统(Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System)。

GPS历史渊源:

1973年12月,美国国防部批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统——全球定位系统(GPS)。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统。

GPS特点:

具有全能性(陆地、海洋、航空、航天)、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时等多种功能。能为各类静止或高速运动的用户迅速提供精密的瞬间三维空间坐标、速度矢量和精确授时等多种服务。

GPS重大阶段

GPS计划经历了:

1. 方案论证(1974~1978年);

2. 系统论证(1979~1987年);

发射了11颗BlockⅠ型GPS实验卫星(设计使用寿命为5年);

3. 试验生产(1988~1993年)三个阶段。

发射了28颗BlockⅡ型和BlockⅡA型GPS工作卫星(第二代卫星的设计使用寿命为7.5年);第三代改善型GPS卫星BlockⅡR和BlockⅢ型GPS工作卫星从90年代末开始发射计划发射20颗,以逐步取代第二代GPS工作卫星,改善全球定位系统。

GPS卫星星座:

由分布在六个独立轨道的24颗GPS卫星组成(其中包括3颗备用卫星),平均每个轨道上分布4颗卫星,各轨道升交点的赤经相差60°。

卫星轨道倾角i =55°;

卫星运行周期T=11h58m(恒星时12小时);

卫星高度H=20200km;

卫星通过天顶附近时可观测时间为5小时,在地球表面任何地方任何时刻高度角15度以上的可观测卫星至少有4颗,平均有6颗,最多达11颗。

GPS投资:

总投资300亿美元

GPS地面系统:

5个卫星监测跟踪站;

5个监测站分别位于夏威夷、科罗拉多、阿松森、迭哥伽西亚、卡瓦加兰,主要负责监测卫星的轨道数据、大气数据以及卫星工作状态。

监测站地主控站的遥控指令下自动采集各种数据:对可见GPS卫星每6分钟进行一次伪距测量和多普勒积分观测、采集气象要素等数据,每15分钟平滑一次观测数据。所有观测资料经计算机初处理后储存和传送到主控站,用以确定卫星的精确轨道。

1个主控站;

主控站设在美国科罗拉多州的一个军事基地的山洞里。

主控站主要负责协调和管理地面监控系统,根据各监测站资料,推算预报各卫星的星历、钟差和大气修正参数编制导航电文;对监测站的钟差、偏轨或失效卫星实行调控和调配。并将导航电文、指令传送到注入站。

3个信息注入站。

3个注入站分别位于阿松森、迭哥伽西亚、卡瓦加兰——赤道带附近的美国海外空军基地。

注入站主要任务是:将主控站推算和编制的卫星星历、导航电文、控制指令注入相应的卫星的存储系统,并监测GPS卫星注入信息的正确性。

GPS定轨精度:

广播星历:切向误差±5m;径向误差±3m;法向误差±3m。

由美国本土以及海外军事基地的5个卫星监测站的观测数据解算。因为测站数量少,所以卫星定轨精度不高。

精密星历:±3厘米

是由美国国防制图局根据全球20多个卫星跟踪站的观测资料解算的,因测站数量多且分布范围广故卫星定轨精度较广播星历高一个数量级。由国际GPS地球动力学服务组织(IGS)所测算预报精密星历比美国军方测定的精密星历的精度要高可达±3厘米。

GPS卫星性能:

GPS卫星直径1.5米;

重量为843.68公斤(包括310公斤燃料);

螺旋阵列天线12根,发射张角约为30度的电磁波束垂直指向地面。采用陀螺仪与姿态发动机构成的三轴稳定系统实现姿态稳定,从而使天线始终指向地面。

卫星还装有8块太阳能电池翼板(7.2 m2),三组15A的镍镉蓄电池。

GPS卫星信号:

配有4台频率相当稳定(量时精度为10-13秒)的原子钟(2台铯钟,2台铷钟),由此产生一个频率为: 10.23MHz的基准钟频信号。

信号经过倍频器降低10倍的频率后,成为频率为1.023MHz测距粗码(C/A码)的信号频率;基准钟频信号的频率10.23MHz,直接成为测距精码(P码)的信号频率;基准钟频信号经过倍频器降低204600倍的频率后,成为频率为50MHz数据码(卫星星历、导航电文的编码)的信号频率;基准钟频信号再经过倍频器倍频150倍和120倍频后,分别形成频率为1575.42MHz(L1)与1227.60MHz(L2)载波信号。测距用的码频信号控制着移位寄存器的触发端,从而产生与之频率一致的伪随机码(测距码),测距码与数据码模二相加后再调制到L1 L2载波信号上通过卫星天线阵列发送出去。值得指出的是:无论是测距码的波长还是载波信号的波长,都是测量GPS卫星到观测点距离的物理媒体,它们的频率越高波长越短所测量的距离精度就越高,定位精度也就越高。另外C/A码除了用于测距外,它还用于识别锁定卫星和解调导航电文以及捕获P码。

GPS定位精度:

按照目前测距码的对齐精度约为码波长的1/100计算;

测距粗码 (C/A码)的测距精度约为±3m;

测距精码(P码)的测距精度约为±0.3m ;

可利用2台以上的载波相位GPS定位仪实行联测定位;

对于载波信号单频机的相对定位精度可达:±(5mm+2ppm×D)其中D为两台仪器的相对距离;

对于载波信号双频机,它能有效的消除电离层延时误差,其相对定位精度可达:±(1mm+1ppm×D);

全球定位技术不但精度高,而且定位速度快,可以满足飞机、导弹、火箭、卫星等高速运动载体的导航定位的需要。

GPS定位原理

利用测距交会的原理确定测点位置的。GPS卫星任何瞬间的坐标位置都是已知的。

一颗GPS卫星(Sn)信号传播到接收机的时间只能决定该卫星到接收机(P)的距离(Dn),但并不能确定接收机相对于卫星的方向,在三维空间中,GPS接收机的可能位置构成一个以Sn为中心以Dn为半径球面(称为定位球);

当测到两颗卫星的距离时,接收机的可能位置被确定于两个球面相交构成的圆上;

当得到第三颗卫星的距离后,第三个定位球面与该圆相交得到两个可能的点;

第四颗卫星确定的定位球便交出接收机的准确位置。

因此,如果接收机能够同时得到四颗GPS卫星的测距信号,就可以进行瞬间定位;

当接收到信号的卫星数目多于四颗时,可以优选四颗卫星计算位置,或以信噪比最高的卫星数据作为平差标准与其他多颗卫星数据进行平差计算,以消除公共误差提高定位精度。如果不考虑测量距离的误差修正,整个定位过程是:

测量站星几何距离Dn通过导航电文提供的卫星坐标S(Xs,Ys,Zs)利用定位球方程式:

求解4个定位球相交的公共点P(Xp,Yp,Zp)。

按GPS定位测量的技术手段分类,可分为伪随机码相位测量与载波相位测量两类。

伪随机码相位测量时,GPS接收机利用码分多址技术与码相关锁相放大技术,同时对4颗以上卫星的测距信号进行伪距(站星真空距离)测定,再通过对伪距的多项修正后的站星几何距离解算测站坐标。

按GPS定位方法分类可分:

①绝对定位:在未知点上用GPS定位仪(单机)测定站星距离,从而独立解算测点WGS-84坐标的过程。

②相对定位:在一定距离内,用两台以上GPS定位仪同时测定站星距离,通过求差的方法解算测点间基线向量的过程。

③静态定位:在定位过程中,GPS定位接收机始终处于静止接收状态的定位方法。

④动态定位:在定位过程中,GPS定位接收机始终处于运动接收状态的定位方法。

GPS使用政策:

由于GPS定位技术与美国的国防现代化发展密切相关,因而美国从自身的安全利益出发,限制非特许用户利用GPS定位精度。GPS系统除在设计方面采取了许多保密性措施外,还对GPS用户实施SA与A-S限制性政策,具体做法有:

①对不同的GPS用户提供不同的服务方式:

GPS系统在信号设计方面就区分了两种精度不同的定位服务方式,即标准定位服务方式(SPS)和精密定位服务方式(PPS)。

标准定位服务方式(SPS)它通过美国军方已经公开的卫星识别码(C/A码)解调广播星历的导航电文,进行定位测量的,其单点定位精度约为20~40m。

精密定位服务方式(PPS)是美国军方或者美国同盟国的特许用户使用的,其单点定位精度约为2~4m。使用这种服务方式一定要事先知道加密码(W码)和精码(P码)的编码结构。否则便无法解调锁定P码进而解读精密星历,实施精密测距。因此W码与P码对于非特许用户是绝对保密的。

②选择性可用(SA)政策——对(SPS)服务实施干扰:

w δ技术——将钟频信号加入高频抖动使C/A码波长不稳定。

w ε技术——将广播星历的卫星轨道参数加入人为误差,降低定位精度。

在SA政策的影响下,SPS服务的垂直定位精度降为±150m,水平定位精度降为±100m。科学家利用GPS差分技术,可以明显削弱SA政策导致的系统性误差的影响。但对于使用精密定位服务(PPS)的特许用户,则可以通过密匙自动消除SA影响。

SA政策1991年7月1日实施,因印影响美国商业利益,于2000年5月2日取消SA政策。

③反电子欺骗技术(A-S)——对P码实施加密:

尽管P码的码长是一个非常惊人的天文数字(码长为2.35×1014比特)至今无法破译,但是美国军方还是担心一旦P码被破译,在战时敌方会利用P码调制一个错误的导航信息,诱骗特许用户的GPS接收机错锁信号——导致错误导航。为了防止这种电子欺骗,美国军方将在必要时引入机密码(W码),并通过P码与W码的模二相加转换为Y码,即对P码实施加密保护:

由于W码对非特许用户是严格保密的,所以非特许用户将无法应用破密的P码进行精密定位和实施上述电子欺骗。

(以上内容来自互联网整理,并无侵犯任保单位和个人作者权益之故意,若有对本文内容有著作权之主张,请与我站联系。)

二、格洛纳斯(GLONASS)

GLONASS简介:

全球导航定位系统(Global Navigation Satellite System——GLONASS)

GLONASS历史渊源:

该系统是82年底由前苏联开始承建,期间因苏联解体,几经周折最后由俄罗斯于96年建成。该系统与美国的全球定位系统同属于第二代卫星定位系统。

GLONASS特点:

卫星的设计经历了无数次改进,并可以划分为三代:原来的全球导航卫星系统(自1982年以来);格洛纳斯- M(自2003年以来); GLONASS - K(自2011年起)

重量:750公斤(GLONASS – M为1450公斤)

寿命:10年((GLONASS – M为5年)

1.工作不稳定,卫星工作寿命短;

2.用户设备发展缓慢,生产厂家少,设备体积大而笨重;

3.采用的是FDMA,所以用户接收机中频率综合器复杂;

4.兼容接收机,需解决两系统的时间和坐标系统问题。

GLONASS重大阶段:

发射阶段(1982-1990年)

1982年10月12日发射第一颗试验卫星;

1982年-1985年,发射了3颗模拟星和18颗原型卫星用作测试。设计寿命只有一年,真实的平均在轨寿命也只有14个月;

1984-1985年,由4颗卫星组成的试验系统达到验证系统的基本性能指标;

1986年空间星座开始逐步扩展;

1990年系统第一阶段的测试计划已经完成,当时空间星座已有10颗卫星;

用户设备的测试(1990年-1995年);

完全工作阶段:1996年1月18日最终布满24颗;

由于资金等原因,2001年在轨卫星数达到最低点,只有6颗运行卫星;

GLONASS投资

1995年俄罗斯耗资30多亿美元完成组网

1995年完成组网耗资30多亿美元

2001年至2011年投入47亿美元

GLONASS卫星星座

三个独立椭圆轨道的24颗(GLONASS)卫星组成(另加1颗备用卫星),平均每个轨道上分布8颗卫星,各轨道升交点的赤经相差120°;

轨道偏心率e=0.01;

卫星轨道倾角i =64.8°;

卫星运行周期T=11h15m(恒星时11.28小时);

卫星高度H=19100km;

卫星设计的使用寿命为4.5年,直至1995年卫星星座布成,经过数据加载、调整和检验,已于1996年1月18日整个系统正式运转。星座每天至少能提供15小时的二维定位覆盖,而三维覆盖至少可达8小时

GLONASS地面系统:

1个系统控制中心,1个指令跟踪站(CTS);

系统控制中心在莫斯科区的Golitsyno-2

整个跟踪网络分布于俄罗斯境内;

CTS跟踪遥测着所有GLONASS可视卫星,对其进行测距数据的采集和处理,并向各卫星发送控制指令和导航信息。

在GCS内装有激光测距设备对测距数据作周期修正,为此所有的GLONASS卫星上都装有激光反射镜。

GLONASS卫星信号:

每颗GLONASS卫星配有铯原子钟,以便为所有星载设备提供高稳定的时标信号。GLONASS卫星同样向地面发射两种载波信号,

L1载波信号的频率为1602~1616MHz(民用),频道间隔为0.5625 MHz;

L2载波信号的频率为1246~1256MHz(军用),频道间隔为0.4375 MHz;

测距粗码(C/A码):

码频0.511MHz

码长为511比特

重复周期为1ms ;

GLONASS卫星也采用类似GPS信号的P码, 尽管前苏联严格保密,英国立茨大学G..R.Lennen博士还是成功地破译了P码。

GLONASS定位精度:

w 水平精度:±50~70m;垂直精度:±75m;

w 测速精度:±15cm/s; 授时精度:±1μs

GLONASS定位原理:

与GPS相同。

GLONASS使用政策

早在1991年俄罗斯联邦政府就首先宣称:GLONASS系统可供国防和民间使用,不带任何限制、不引入“选择可用性(SA)”机制,也不计划对用户收费,该系统将在完全布满星座后遵照以公布的性能运行至少15年。

俄罗斯空间部队的合作科学信息中心作为GLONASS系统状态信息的用户接口,正式向用户公布GLONASS系统咨询通告。

1995年3月7日俄罗斯联邦政府签署了一项“有关GLONASS面向民用得行动指导”的法令,确认了由民间用户早期启用GLONASS系统的可能性。

俄罗斯联邦政府对GLONASS系统的使用政策,使得美国的GPS定位仪的生产商对美国政府实施的SA政策大为不满,考虑到美国的商业利益美国政府最后不得不于2000年5月2日取消SA政策。

三、伽俐略卫星导航系统(GNSS)简介:

GNSS历史渊源:

从1994年欧盟已开始对伽利略(GNSS)系统方案实施论证。2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略(GNSS)系统的L频段的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略(GNSS)系统的建设。

GNSS特点:

将来精度最高的全开放的新一代定位系统。

GNSS重大阶段

1994年开始进入方案论证阶段;

2005年12月28日,首颗伽利略试验卫星Glove-A发射成功,标志着"伽利略"系统建设的里程碑。

2008年4月23日欧洲议会通过了“伽利略”全球卫星导航系统的最终部署方案,这标志着为期6年的“伽利略”计划基础设施建设阶段正式启动。

2008年4月27日,“伽利略”系统的第二颗实验卫星Glove B升空

2008年7月1日,欧盟委员会正式启动了项目采购工作,这标志着Galileo计划已经进入了全面部署的阶段。

欧盟委员会2010年1月7日说,伽利略卫星导航系统将从2014年起投入运营。

(原订计划:2008年整个伽利略(GNSS)系统建成并投入使用)

2011年10月,欧洲伽利略定位系统的其中2枚卫星(Soyuz rocket)在法属圭亚那太空中心由俄罗斯联盟号运载火箭搭载升空。

GNSS卫星星座:

卫星星座:由3个独立的圆形轨道,30颗GNSS卫星组成(27颗工作卫星,3颗备用卫星) 。离地面高度: 23,222公里 (MEO),三条轨道,56°倾角 (每条轨道将有九颗卫星运作,最后一颗作后备)

卫星的轨道倾角i =56°;

卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时;

轨道高度H=23616km 。

GNSS投资:

由欧盟各政府和私营企业共同投资(36亿欧元)

GNSS地面系统:

“伽利略”系统的地面系统部分主要由2个位于欧洲的“伽利略”控制中心(GCC)和20个分布全球的“伽利略”敏感器站(GSS)组成,另外还有用于进行控制中心与卫星之间数据交换的分布全球的5个S波段上行站和10个C波段上行站。

2009年11月19日,在法属圭亚那航天中心(CSG)的库鲁地面站正式落成。库鲁地面站由法国航天研究中心(CNES)负责建造,包括一个监控伽利略计划的卫星星座的遥测、跟踪和指挥(TT&C)站,一个接收系统卫星发出的信号的感应站(GSS)以及两个向卫星传输导航指令的传输站(ULS)。

GNSS定轨精度:

(暂无资料)

GNSS卫星性能:

卫星寿命: 15年以上

卫星重量: 每颗675公斤

卫星长宽高: 2.7m x 1.2m x 1.1m

太阳能集光板宽度: 18.7m

太阳能集光板功率: 1500W

有效载荷:2对铷钟和氢脉冲钟,搜索救援载荷。

GNSS卫星信号:

(暂无资料)

四、北斗卫星导航系统COMPASS简介:

COMPASS历史渊源

我国高度重视卫星导航系统的建设,一直努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。早在上世纪60年代末,我国就开展了卫星导航系统的研制工作,但由于诸多原因而夭折。

自20世纪70年代后期以来,国内开展了探讨适合国情的卫星导航系统的体制研究,先后提出过单星、双星、三星和3-5星的区域性系统方案,以及多星的全球系统的设想,并考虑到导航定位与通信等综合运用问题,但是由于种种原因,这些方案和设想都没能得以实现。

在20世纪80年代到90年代,我国就结合国情,科学、合理地提出并制订自主研制实施“北斗”卫星导航系统建设的“三步走”规划。

第一步是试验阶段,用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务;

第二步是到2012年,计划发射10多颗卫星,建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航定位系统;

第三步是到2020年,建成由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统,形成全球覆盖能力。

COMPASS特点:

北斗一号:

1.用户定位的同时失去了无线电隐蔽性,这在军事上相当不利;

2.由于设备必须包含发射机,因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。

3. 系统容量:每小时540000户

4.原子钟等关键组件到现在还需要依赖进口

COMPASS重大阶段:

1983年,我国科学家陈芳允和一位美国科学家同时提出利用地球同步卫星进行导航定位的设想

1994年全面启动导航系统的研制

2000年10月31日,我国自行研制的第一颗北斗导航试验卫星被成功送入太空。

2003年5月25日,又一颗备份卫星升空,这标志着中国已经自主建立了完善的卫星导航系统,以及北斗导航试验系统工作的完成。

2007年4月14日,我国成功发射了北斗导航卫星系统的第一颗卫星,有效验证了导航系统的技术、原理和体制。

2011年4月10日,当第八颗北斗导航卫星在倾斜轨道上“安家”之后,北斗卫星导航系统的6颗组网卫星构成了“3+3”的星座构型(包括3颗地球同步静止轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星),这标志着北斗区域卫星导航系统的基本系统建设完成,

COMPASS卫星星座:

北斗一号:由3颗同步静止卫星组成(其中1颗在轨备用),卫星的赤道角距约60°。

轨道倾角i =0°;

公转周期T=24h恒星时;

轨道高度H=36000km

北斗二号:由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成

COMPASS投资:

(暂无资料)

COMPASS地面系统:

(暂无资料)

COMPASS定轨精度:

(暂无资料)

COMPASS卫星性能:

(暂无资料)

COMPASS卫星信号:

(暂无资料)

COMPASS定位精度:

北斗一号:水平精度100米(1σ),设立标校站之后为20米(类似差分状态),授时精度约100ns

北斗二号:定位精度为10米,授时精度为10纳秒,测速精度为0.2米/秒

COMPASS定位原理:

北斗一号主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算,供用户三维定位数据。

信息标题:全球四大卫星导航系统(GPS、GLONASS、BDS、Galileo)比较

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